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1、第1章 课题分析本毕业设计题目是某歼击机操纵性能检测系统的数据采集部分的设计。本设计由单片机和两个A/D转换器构成了一个8路数据采集系统。实现了对4组拉力和位移信号的数据采集，每组拉压力、位移信号同时采集，4组分时采集。单片机将A/D转换器采集到的数据进行处理并显示出来。1.1 题目的来源苏27是前苏联苏霍伊设计局研制的单座双发全天候空中优势重型战斗机，主要任务是国土防空、护航、海上巡逻等。北约组织给予的绰号是“侧卫”（Flanker）。该机于1969年开始研制，1977年5月20日首飞，1979年投入批生产，1985年进入部队股役。该机采用翼身融合体技术，悬壁式中单翼，翼根外有光滑弯曲前伸的
2、边条翼，双垂尾正常式布局，楔型进气道位于翼身融合体的前下方，有很好的气动性能,进气道底部及侧壁有栅型辅助门，以防起落时吸入异物。具有机动性和敏捷性好、续航时间长等特点，可以进行超视距作战。该机完成的“普加乔夫眼镜蛇”机动动作显示出了其优异的飞行性能和操纵性能，以及发动机良好的加速性能，飞行性能要高于第三代战斗机，但其机载电子设备和座舱显示设备相对来讲要落后许多，且不具隐身性能。该机有多种改型，包括苏-27P单座陆基型、苏-27UB串列双座教练型、苏-27K舰载战斗/攻击型、苏-27KU并列双座战斗轰炸型、P-42（由苏-27专门改装的飞机，创造了31项官方世界纪录）等。至1992年，独联体国家
3、已装备了300多架苏-27飞机，目前生产的飞机主要用于出口。 该机机长21.935米，翼展14.7米，机高5.932米，最大起飞重量29000千克，装有两台推力为13500千克的涡扇发动机，总推力27000千克,最大飞行速度为M数2.35，作战半径 1500千米。苏-27飞机采用了双立尾布局、翼身融合体先进气动技术，置于机身下方两侧的方形二元进气道有可调进气斜板， 并配有四余度电传操纵系统。良好的气动外形和操纵品质可以使飞机一改机头在前的飞行姿态。 1989年在巴黎航空展览会上，普加乔夫驾驶苏-27飞机做出了机尾前行，机头后仰， 最大飞行迎角为 110度-120度的“眼镜蛇”机动，在时速为12
4、5公里的条件下不失速，引起了西方国家航空界的轰动。苏27是设计得最成功的第三代超音速战斗机之一，引进苏27生产技术大大缩短了我国在航空技术方面与世界先进水平的差距，它已经基本具备了第四代战斗机的超机动性和短距离起降能力。“苏27飞机操纵性能地面综合检测评估系统研究”是辽宁省教育厅纵向课题。该系统用于施力、测量、记录、并输出飞机操纵杆和脚踏操纵器在操纵过程中所使用的力。本毕业设计题目是该系统的一个子课题，要求实现对飞机操纵杆（脚踏操纵板）的操纵力和控制连杆位移的测量，以便检测飞机操纵杆和脚踏操纵器是否符合设计规范要求。该系统可用于产品质量检测和用户验收设备。1.2 设计的任务本毕业设计要求设计一
5、个8路（4对）数据采集系统，分别对飞机操纵杆施加的前向、后向、左向及右向的力及复位反弹力与所对应的舵杆位移进行测量、记录。对4组拉压力、位移传感器（传感器已经选定）输出信号进行采集，每组拉压力、位移信号同时采集，四组分时采集。将采集到的4组数据经处理后分别存放于相应的存储区内，供绘图用；并对一组数据实现同时显示。要求理论设计上述采集及显示部分，并对所设计的部分进行仿真实验。1.3 题目分析 根据本毕业设计任务的要求，要实现一个多路数据采集系统，这就要使用A/D转换器，并由单片机控制这个A/D转换器。单片机还要与LED数码显示屏相连接。首先要确定使用几个A/D转换器，几个单片机，几个LED数码显
6、示屏，确定好之后还要注意怎样将其连接，设计好电路图后要考虑如何编写程序，最后进行调试，以求满足技术指标的要求。第2章 方案论证2.1 方案论证本毕业设计做的是某歼击机操纵性能检测系统的数据采集部分的设计。所涉及的芯片有单片机、A/D转换器及LED数码显示屏。实现的是对传感器输出的信号进行采集、存储和显示。具体用到的方案如下。2.1.1 方案一本方案是根据一般数据采集系统所用到的思想所设计的。采用的是由一个单片机、一个A/D转换器及一台PC机构成的数据采集系统。该数据采集系统的原理框图如图2.1所示：A/D转换器4个拉力传感器4个位移传感器单片机PC机图2.1 数据采集系统原理框图1本数据采集系
7、统的工作过程是：用A/D转换器的IN0IN7口将4组拉力及位移传感器输出的8路信号进行采集，并通过单片机进行控制，将采集到的数据存入单片机内进行数据的处理，然后单片机接PC机实行对数据的显示、打印等功能。这里的PC机可以相当于LED数码显示屏的作用。通过具体实验的验证，这个方案能实现对传感器输出的8路数据进行采集、存储及显示。满足设计任务的要求。系统结构简单，容易实现。2.1.2 方案二本方案采用的是一个单片机、两个A/D转换器及一台PC机构成的数据采集系统。该系统的原理框图如图2.2所示：单片机PC机A通道A/D转换器4个拉力传感器4个位移传感器B通道A/D转换器图2.2 数据采集系统原理框
8、图2该系统的工作过程是：通过两个A/D转换器的IN0IN3口分别对4组拉力及位移传感器输出的8路信号进行采集，一个A/D转换器采集拉力信号，一个A/D转换器采集位移信号。两个A/D用一个单片机进行控制，单片机将采集到的数据存入内存单元内，进行数据的处理，然后单片机接PC机实行对数据的显示、打印等功能。通过实验验证，本系统能够实现对8路数据的采集、存储和显示。满足设计任务的要求。2.1.3 方案比较通过以上两个方案我们可以看出，方案一系统电路简单明了，用的元器件较少，思路清晰，编程简单，容易实现；方案二系统电路较为复杂，用的元器件也较多，编程比较困难。虽说两者都能实现对传感器输出的8个数据进行采
9、集、存储和显示，但是方案一的采集方式不能满足对一组拉力和位移信号的同时采集，也不能满足对一组数据进行同时显示，系统虽然简单，但不能采用。方案二使用两个A/D转换器能满足一组拉力和位移信号同时采集并显示，系统虽然较为复杂，但也要采用方案二。综上所述，本数据采集系统的设计采用方案二来完成，具体的设计原理及芯片的选择本文在下面进行了详细的分析。2.2 方案设计本数据采集系统的工作原理是系统分别对飞机操纵杆施加前向、后向、左向及右向的力；分别对左、右脚踏操纵器施加前向力。匀速施力使操纵杆和脚踏操纵器从零位到极限位，之后匀速返回零位。在匀速施加力和匀速复位的同时，系统对所施加的力及复位反弹力与所对应的舵
10、杆（位于机背）位移进行测量、记录。采用方案二的设计，本系统的原理框图如图2.3所示：拉压力传感器位移传感器拉压力传感器位移传感器拉压力传感器位移传感器拉压力传感器A通道A/D采集器B通道A/D采集器单片机存储显示信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路位移传感器图2.3 数据采集系统原理框图系统要求设计一个8（4对）路数据采集系统，实现分别对4组拉力、位移传感器（传感器已经选定）的输出信号进行采集，每组拉力、位移信号同时采集，4组分时采集。根据这一要求，本设计确定使用两个A/D转换器，一个A/D转换器用于采集4路拉力信号，另一个用于采集4
11、路位移信号。同时考虑用一个单片机控制两个A/D转换器，若要满足每组拉力、位移信号同时采集需将两个A/D转换器同时启动，即将两个A/D转换器的START管脚接到单片机的同一管脚上，则能保证一组拉力和位移信号同时采集。本设计将两个A/D转换器的输出端口并联接到一起，接入单片机的P0口。这要求在使用A/D转换器时要考虑芯片的选择，其输出端必须是三态口，这样的输出端才可以并联在一起。对于4组信号的分时采集，就要使用一个按键来控制A/D转换器的输入端，使其在工作过程中可以任意选择采集哪一路数据。对于显示部分的设计相应的要有两个LED数码显示屏，其中一个用于显示拉力信号，一个用于显示位移信号。将两个LED
12、数码显示屏接到单片机的P1口上，再用单片机P2口和P3口控制数码显示屏的位选信号，将采集到的数据显示出来。再根据本毕设的技术指标：位移传感器的测量范围是0150mm，精度误差为0.1%，力传感器测量范围为0500N，精度误差为0.1%，确定显示的位数。本设计能将采集到的数据经处理后分别存放到相应的存储区内，并在显示器上实现对一组数据的同时显示。并通过更改外部按键能选择实现其余3组拉力和位移信号数据的任何一路进行采集和显示。本系统的工作过程是：单片机控制两个A/D转换器使其工作，A/D转换器将传感器输出的拉力信号和位移信号经信号调理系统后采集到单片机内存储并用LED显示出来。系统结构简单，一目了
13、然。2.3 各部分器件的选择2.3.1 单片机的选择与论证方案一：MCS-51系列单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，是在MCS-48系列单片机的基础上发展起来的。虽然它仍然是8位单片机，但它有品种全、兼容性强、性能价格比高等特点。MCS-51系列单片机在原有的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下： 1. 8位CPU 2. 4kbytes 程序存储器(ROM)3. 128bytes
14、的数据存储器(RAM)4. 32条I/O口线5. 111条指令，大部分为单字节指令6. 21个专用寄存器7. 2个可编程定时/计数器8. 5个中断源，2个优先级9. 一个全双工串行通信口10.外部数据存储器寻址空间为64kB11.外部程序存储器寻址空间为64kB12.逻辑操作位寻址功能13.双列直插40PinDIP封装14.单一+5V电源供电 MCS-51的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，只需配备一台PC，一台仿真编程器即可实现产品开发，早期的开发软件多使用DOS版本，随着Windows视窗软件的普及，现在几乎都使用Windows版本，并且软件种类繁多，琳琅满目，在众多的单片机品种中，C5
15、1的环境资源是最丰富的。方案二：ATMEL公司在AT89C系列单片机的基础上，推出了以MCS-51核心技术为其内核、采用该公司性能低、低功耗、非易失性存存储技术。AT89S51单片机采用了ATMEL公司的技术领先的Flash存储器，是低功耗、性能高、采用COMS工艺制造的8位单片机，并且与MCS-51单片机产品完全兼容。在逻辑上，AT89C51单片机有3个存储空间：片内外统一编址的64KB程序存储器的地址空间、128字节片内数据存储器的地址空间以及64KB片外数据存储器的地址空间。含有2个定时器/计数器，6个中断源，5个可用中断，2个中断级别。都支持掉电模式和空闲模式，都是MSC8051指令集
16、。这种芯片与INTEL的8051芯片相比，多了些东西，比如6个中断源就比MCS8051的5个中断多1个，这个中断源用于芯片的编程。另外多了空闲模式和掉电模式。AT89C51片内程序存储器为电擦写型ROM，整体擦除时间仅为10ms，可写入/擦除1000次以上，数据保存10年以上，它是一种来源于8051而又优于8051的系列。在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域都有着极大的应用前景。方案比较：综上所述，AT89C51整体性能要优于8051系列，它的程序存储器的地址空间可以满足本次毕设实验要求，而8051系列则需扩展ROM；又由于此毕业设计需要设计者自行编写程序载入单片
17、机内，8051系列不能满足要求，而AT89C51能够实现。故使用AT89C51。2.3.2 模数转换芯片的选择与论证方案一：采用ADC0809转换芯片。ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟信号输入、8位数字量输出的A/D转换芯片。ADC0809是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。由单一的+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需要100s左右。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可以直接连接到MCS-51的数据总线上。通过外接电路，ADC0809可以对05V的模拟信号进行转换。ADC0809虽然有8路模拟信号通道可以同时
18、输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换有软件变换通道地址实现。ADC0809转换时间典型值为100s，转换误差 1LSB，模拟输入范围0+5V，基准电压 VREF(+)Vcc, VREF(-)0V。分辨率：1/28100%=0.39% （2.1）转换公式 D=(28/VREF)Vi （2.2）本毕业设计的技术指标是：位移传感器的测量范围是0150mm，精度误差为0.1%，力传感器测量范围为0500N，精度误差为0.1%。按照ADC0809的精度不能实现。方案二：采用ICL7109双积分式12位A/D转换芯片。ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位
19、模/数变换器。该芯片由模拟电路和数字电路两部分组成，其中模拟电路由模拟信号输入、振荡电路、积分、比较电路和基准电压源组成。数字电路由时钟振荡器、异步通信握手逻辑、转换控制逻辑、计数器、锁存器、三态门组成。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。在直接接口方式中，当ICL7109转换结束时，由 STATUS发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。ICL7109最大特点是数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微控制器相连。因此它
20、广泛应用在速度要求不高，而精度要求较高的各种领域中（如称重、压力测量等）。分辨率：1/212100%=0.024% （2.3）按照本设计的技术指标，12位的A/D转换器能满足要求。 方案比较：比较上述两种A/D转换芯片，由于ICL7109的性能指标能够满足本次毕设的要求，所以采用ICL7109。ADC0809芯片的性能指标只能够满足本次毕设原理实验的要求，故若用原理实验来验证本次毕设方案设计的正确性，可以采用ADC0809芯片。2.4 核心芯片介绍2.4.1 ICL7109介绍 ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。由于目前逐次比较式的高速12位A/
21、D转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。ICL7109的内部电路有模拟电路和数字电路部分组成。模拟电路部分由模拟信号输入振荡电路、积分、比较电路以及基准电压源电路组成。数字电路部分由时钟振荡器、异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑以及计数器、锁存器、三态门组成。ICL7109为40引脚双列直插式封装，其引脚如图2.4所示。图2.4 ICL7109引脚图ICL7109位双电源5V，引入V+，V-
22、（40，28脚），1端GND为公共接地端。ICL7109有一个良好的片内基准电压源，由REFOUT端输出（29端），可以使用电阻分压以获得一个合适的基准电压。一般来说，对模拟输入如果要求满度输出4096个数，则Vin=2Vref，即+2.048V基准电压对应于+4.096满度输出模拟电压；+204.8mv则对应于+409.6V满度输出电压。基准电压的稳定与否，直接影响转换精度，ICL7109分辨率位1/4096或244ppm。如果片内基准源的温度系数为80ppm/，则环境温度变化了3就会增加1LSB绝对误差。如果不控制环境温度则建议使用外部基准电压源。ICL7109片内有振动器及时钟电路。片内
23、提供的多功能时钟振动器既可用作RC振荡器，也可作为晶体振荡器。OSCSEL（24端）为振荡器选择。接成RC振荡器时，振荡器频率为0.45/RC（电容不能小于50PF）。接成晶体振荡器时，内部时钟为58分频后的振荡器频率。为了使电路具有抗50串模干扰能力。A/D转换时应选择积分时间（2048个时钟数）等于50HZ的整数倍。例如取积分时间为50HZ的1倍，即20MS，则晶体频率F=（2048个时钟周期）（58/20MS）=5.939MHZ (2.4)对于RC振荡器，则F=（2048个时钟数）/20ms=102.4KHZ。 (2.5)分辨率：1/212100%=0.024% (2.6)2.4.2 A
24、T89C51介绍AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51（以下简称 89C51）将具有多种功能的8位 CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比较高。AT89C51硬件结构及引脚AT89C51的引脚
25、与80C51的引脚也是完全兼容的，其引脚配置如图2.5所示。图2.5 AT89C51封装引脚配置图对其各个部分功能比较常见，这里将不予详细说明。第3章 系统原理实验电路设计本系统要求设计一个8（4对）路数据采集系统，实现分别对4组拉力、位移传感器（传感器已经选定）的输出信号进行采集，每组拉力、位移信号同时采集，4组分时采集。根据这一要求，本系统设计以单片机做为核心，控制两个A/D转换器，实现对传感器输出的信号进行采集。一个A/D转换器用于采集4路拉力信号，另一个用于采集4路位移信号。对于显示部分的设计单片机链接两个LED数码显示屏，实现对采集到的信号进行同时显示。其中一个用于显示拉力信号，一个
26、用于显示位移信号。本系统的工作过程是：单片机控制两个A/D转换器使其工作，A/D转换器将传感器输出的拉力信号和位移信号经信号调理系统后采集到单片机内存储并用LED显示出来。系统结构简单，一目了然。对ADC0809的参考电压引脚的设计链接还需用到两个精密的参考电压电路。各个部分电路的设计将在本章节中详细介绍。3.1 数据采集部分电路设计采用ADC0809做为A/D转换器的芯片。ADC0809芯片的性能指标能够满足本次毕设原理实验的要求（技术指标：位移传感器的测量范围是0150mm，精度误差为1%，力传感器测量范围为0500N，精度误差为1%），故若用原理实验来验证本次毕设方案设计的正确性，可以使
27、用。具体设计如下：传感器输出的拉力信号和位移信号的同时采集是通过两个ADC0809的来实现的，拉力传感器和位移传感器输出的信号的电压范围均为0+5V。在做仿真实验时用8个0+5V的直流电压源外加8个滑动变阻器来代替传感器的输出，通过改变滑动变阻器的值，来模拟传感器在测量时的变化情况。将其分别接到两个ADC0809的输入端口。如图3.1所示：图3.1 ADC0809的输入信号由于要求对拉力传感器和位移传感器输出的两路信号同时进行采集，所以要使用两个ADC0809芯片来完成，并将两个ADC0809的START引脚接到一起，由一个单片机进行控制，本设计将START引脚接到单片机的P2.4引脚上，并将
28、两个ALE信号与两个START信号接到一起，都接入P2.4引脚上。在写入程序后，即使START信号有效，则两个ADC0809同时启动，进行采集。其中两路拉力、位移传感器输出的信号分别由第一个ADC0809的IN0口采集和第二个ADC0809的IN0口采集。将两个A/D转换器的输出端口并联接到一起，用单片机的P0口读入A/D采集器采集到的数据。这要求在使用A/D转换器时要考虑芯片的选择，其输出端必须是三态口，这样的输出端才可以并联在一起。ADC0809的输出端是三态口，可以这样使用。ADC0809片内无时钟，则需在其芯片外部加入640KHz时钟信号，ADC0809即可工作。具体设计如图3.2所示
29、：图3.2 采集部分电路图1由于需要采集4组传感器输出的不同数据，则本设计采用开关选择器控制引脚ADD_A、ADD_B、ADD_C的高低电平。对于每一个A/D来说，可以通过改变ADD_A、ADD_B、ADD_C的高低电平就能选择使用IN0IN7的任一口采集到8个不同信号。当CBA为“000”时两个A/D都用IN0口进行采集，当CBA为“001”时两个A/D都用IN1口进行采集，当CBA为“010”时两个A/D都用IN2口进行采集，当CBA为“011”时两个A/D都用IN3口进行采集当CBA为“111”时两个A/D都用IN7口进行采集。对于4组信号的分时采集，就要使用一个按键来控制A/D转换器的
30、输入端，使其在工作过程中可以任意选择采集哪一路数据。如图3.3所示，开关打开时为高电平，闭合后为低电平，将两个开关分别接到P3.3和P3.4管脚上，通过开关的开启和闭合两种状态使P3.3和P3.4具有“00”、“01”、“10”、“11”四种状态，通过程序的编写使P3.3和P3.4两个管脚控制ADC0809的ADD_A和ADD_B两个管脚，使其高低电平发生变化，进而可以选择采集4组数据的其中一组。图3.3 采集部分电路图2由于将A/D采集器的输出端口接到了一起，在控制A/D输出时就要用到OE引脚，将第一个ADC0809的OE管脚接到单片机的P3.7脚，将第二个ADC0809的OE引脚接到单片机
31、的P3.6脚，通过改变P3.6和P3.7的高低电平就能够控制两个A/D的输出，具体连接如图3.3所示。由单片机控制这两个引脚的高低电平，编写程序，保持其中一个有效，有效的那个OE所对应的ADC0809输出的数据首先输出并存入单片机的内存单元内，再让另一个OE信号有效，前一个OE信号无效，这样第二个ADC0809输出的数据可存入到单片机的另一个内存内，采集到的两路信号用于存储及显示使用。3.2 显示部分电路设计要求同时显示采集到的一组拉力及位移数据，这就需要用到两个LED数码显示屏与单片机链接。第一个LED数码显示屏显示的是位移信号，第二个LED数码显示屏显示的是拉力信号。将两个LED数码显示屏
32、接到单片机的P1口上，再用单片机P2口和P3口控制数码显示屏的位选信号，将采集到的数据显示出来。再根据本毕设的技术指标：位移传感器的测量范围是0150mm，精度误差为1%，力传感器测量范围为0500N，精度误差为1%，由此可以确定拉力显示的位数为3位，位移显示的位数为4位。利用软件编程将存入单片机内存区单元的数据送到P1端口，并用单片机分别控制两个LED数码显示屏的位选信号。本设计将两个LED数码显示屏的ABCDEFG管脚都接到单片机的P1口，将第一个LED数码显示屏的DP脚接到P1.7口。利用单片机的P2和P3口控制第一个LED数码显示屏的位选信号，其中P2.0控制LED的百位信号，P3.0
33、控制LED的十位信号，P3.1控制LED的个位信号，P3.2控制LED的小数点后第一位信号。利用单片机的P2口控制第二个LED数码显示屏的位选信号。其中P2.6控制LED的百位信号，P2.5控制LED的十位信号，P2.3控制LED的个位信号。单片机将采集到的数据送到P1口，并让位选信号有效，就能用LED数码显示屏将其采集到的数据显示出来。由于单片机执行一条指令的时间很快，虽然两个显示部分在程序上不是同时进行，但在视觉效果上拉力和位移信号是同时显示的。满足毕设任务要求。其显示部分电路图如图3.4所示。图3.4 显示部分电路图本设计能将采集到的数据经处理后分别存放到相应的存储区内，并在显示器上实现
34、对一组拉力及位移数据的同时显示。并通过更改外部按键能选择实现其余3组拉力和位移信号数据的任何一路进行采集和显示。时钟电路的设计：在89C51芯片内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL，输出端为引脚XTAL，在芯片外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中电容C和C一般取30pF左右，而晶体的振荡频率范围通常是1.2MHz12MHz，晶体振荡频率高，则系统时钟频率也高，单片机运行速度也就快。振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用。时钟电路的电路图如图3.5所示：图3.5 时钟电路图复位电路设计：复位是单片机
35、的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期以上。产生复位信号的电路逻辑如图3.6所示：图3.6 复位电路3.3 精密参考电压电路选择从A/D转换器的传输函数可知，转换器的输出是参考电压的函数。任何一个转换器设计再好，其他部件做的精度再高，转换器的总精度也不可能超过参考电压的稳定度。这意味着，转换器的位数越高，所要求的参考电压的稳定度也就越高。因此，要满足转换器位数（或说精度）增加的要求，参考电压的设计很重要。现代电压基准建立于使用集成晶体管和带状能隙基准、掩埋齐
36、纳二极管和结场效应晶体管。各种技术以增强的补偿网络或外加的有源电路提供固有的性能特性。最简单的情形是，简单地用2个发射极面积不同的晶体管作为发生与绝对温度成比例的电压的带隙基准。VBE1 和 VBE2 有相反的温度系数。输出支路的镜像电流I1和I2转换成电压VCC。此输出电压等于：VO = VBE1 +(VBE1 - VBE2) (3.1) 其中，为标量系数，VBE1为两个晶体管里面积较大一个的基-射极电压，VBE2为两个晶体管里面积较小一个的基-射极电压。带隙基准和外部基准源一样，也广泛地用于ADC转换器，通常地，它们用于设计精度最大为10位的系统中。带隙基准的典型初始误差为0.51.0%，
37、温度系数为2550ppm/。其输出电压噪声典型为1530Vp-p (0.110 Hz)而长期稳定度为：2030ppm/1000hrs。下面介绍几种精密的基准电压源：TL431,KA431,TLV431A是由美国德州仪器公司(TI)和摩托罗拉公司生产的2.5036 V可调式精密并联稳压器。其性能优良、价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。此外，TL431, KA431,TLV431A还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。 特性TL431, KA431, TLV431A主要完成取样电压和参考电压之间的比较放大任务。TL431、KA431、TLV431A属于
38、三端可调式器件，利用两只外部电阻可设定2.5036V范围内的任何基准电压值。TL431, KA431, TLV431A的电压温度系数aT=30X10-6/C（即30ppmC）。其动态阻抗低，典型值为0.2 。阴极工作电压UKA的允许范围为2.5036 V，阴极工作电流IKA,1100 mA。TL431,KA431,TLV431A的温度系数为30 ppm/C，输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多，因而在应用中无须附加温度补偿电路。 内部电路TL431、KA431、TLV431A有3种封装形式，3个电极分别为参考极（R）、阳极（A）和阴极(K）。其内部有一个2.5 V的精密参考电
39、压源，借用两只外接电阻，可以得到2536V的稳定电压。不同封装形式的内部电路框图如图3.7所示。图3.7 TL431、KA431、TLV431A内部电路 应用电路TL431,KA431, TLV431A内部含有一个2.5V的基准电压，当在REF端引人输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。TL431, KA431, TLV431A的恒压应用电路如图3.8所示。图3.8 TL431的恒压电路在图3.8所示的恒压应用电路中，当R1和R2的阻值被确定时，两者对Vo的分压引人反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路
40、必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1R1/R2）Vrefo选择不同的R1和R2的值可以得到从2.536 V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=Rz时，Vo5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，即通过阴极的电流要大。上述器件的精度和稳定性均符合本次毕设参考电压的选择，在实际应用中可以采用。但是在做仿真实验时，PROTEUS元件库中并没有找到这些器件，所以按照这些器件的基本原理使用运算放大器自己搭了个参考电压电路。在仿真中由于这些器件都是理想的，精度很高，可以满足本次毕设仿真验证。经过调试满足技术指标的要求，就将其使用在ADC0809的参考电压处了。本设计采用
41、运算放大器构成参考电压。设定稳压管是精密的，用稳压管D2提供的+12V基准电压通过电位器RV1加到运放U1的同相输入端，稳压电源的输出电压V又反馈到U1的反相输入端，当V发生变化时，它与同相输入端的电压差值被运放放大，以控制调整晶体管Q1的基极电流，改变发射极与集电极间电压降，从而使输出电压保持稳定。电路图如图3.9所示：图3.9 精密参考电压电路图若使参考电压为+5.1V，则运放脚2为+5.1V，脚3也为+5.1V。设滑动变阻器下端电阻为R，则有如下式子： (3.2)通过改变滑动变阻器的阻值就能改变参考电压。放大器的闭环增益为1，反馈最深，V的稳定性好。又因为V就等同于同相输入端电压，调节电
42、位器RV1就可以使V在012V范围内任意改变。本设计通过调节电位器RV1将其参考电压定位到+5.1V。以满足本次毕设电路及程序设计的精度要求。第4章 系统的软件设计本章主要是对各部分程序进行软件的设计，分析流程图，编写程序。系统总的流程图如图4.1所示。调用采集子程序调用第一个显示子程序调用第二个显示子程序调用初始化程序开始图4.1 系统总流程图本系统开始先调用初始化程序，给P1口、P2口和P3口置1，清出单片机存储单元60H6FH，70H7FH用于存放采集到的数据和运算处理的数据以备显示使用。接着调用采集子程序，对拉力和位移传感器输出的信号进行采集，并将第一个ADC0809采集到的数据即位移
43、信号存入70H单元中，以备后续处理用。将第二个ADC0809采集到的数据即压力信号存入60H单元中去，以备后续处理使用。然后调用第一个显示子程序，显示位移信号。从70H单元中取出采集到的数据，在显示子程序中会对采集到的数据进行处理后再显示出来。第二个显示子程序，显示拉力信号。从60H中取出采集到的数据，其设计过程与第一个显示子程序相同，只是用到的存储单元不一样。4.1数据采集部分的软件实现数据采集用单片机和ADC0809链接实现，A/D转换子程序流程图如图4.2所示。A/D子程序启动A/D转换第一个ADC0809的OE信号为高电平 存入70H单元中存入60H单元中返回P3.3是否为高电平ADD
44、_B引脚置1ADD_B引脚清零P3.4是否为高电平ADD_A引脚置1ADD_A引脚清零第二个ADC0809的OE信号为高电平 NYYYYNNN图4.2 A/D转换程序流程图A/D转换子程序流程图实现过程：用05V电压信号代替传感器输出的信号分别与第一个ADC0809的通道IN0IN3与第二个ADC0809的通道IN0IN3相连接作为输入，以实现同时对1路拉力及位移信号进行采集。首先判断P3.3的高低电平，若为高电平，ADD_B引脚置1；若为低电平，ADD_B引脚清零。再判断P3.4的高低电平，若为高电平，ADD_A引脚置1；若为低电平，ADD_A引脚清零。进而通过P3.5和P2.7控制ADC0
45、809的ADD_A和ADD_B引脚的高低电平，当BA为“00”时两个A/D都用IN0口进行采集，当BA为“01”时两个A/D都用IN1口进行采集，当BA为“10”时两个A/D都用IN2口进行采集，当BA为“11”时两个A/D都用IN3口进行采集。然后启动A/D转换，按照ADC0809的时序图，先给P2.4管脚置1，然后延时，再给以清零信号，这样，当START端下降沿到来时启动通道IN0IN3其中的一路进行A/D转换。利用单片机的P3.6和P3.7两个引脚分别控制两个0E信号，只有OE信号为高电平时，才给予输出。先令P3.7高电平，P3.6低电平，这样将第一个ADC0809的转换结果在程序运行期间从A/D输出端输入到单片机中，并保存在用户RAM区70H中。也就是将位移信号采集并存储。然后令P3.6高电平，P3.7低电平，这样将第二个ADC0809转换结果在程序运行期间从A/D输出端输入到单片机中，